干旱热浪复合事件的时空变异规律及干旱热浪依赖性研究
作者单位：西北农林科技大学
学位级别：硕士
导师姓名：李毅
授予年度：2023年
主 题：干旱热浪复合事件 非平稳 时空演变规律 依赖性 气候变化
摘 要：气候变暖背景下,中国极端气候事件发生频率持续增多、强度不断加强,严重威胁了社会和经济的可持续发展。相较于单一极端气候事件,复合型极端气候事件造成了更严重的经济损失和更具灾难性的环境影响。干旱热浪复合事件是指干旱和热浪在同一地区同时发生的复合型极端气候。近年来,干旱热浪复合事件对中国农业生产、生态系统和社会经济等造成了愈加严峻的负面影响。由于干旱热浪复合事件的灾难性影响及其在气候变化下的潜在增加,需要对其时空演变特征和干旱热浪的依赖性进行深入探究,以便为适应和减缓干旱热浪复合事件提供依据。论文基于1961～2021年我国大陆地区639个站点的气象资料,将中国划分为七个气候分区,分别是西北荒漠地区(分区I)、内蒙古地区(分区II)、青藏高原(分区III)、东北湿润半湿润温带地区(分区IV)、华北湿润半湿润温带地区(分区V)、华中华南湿润亚热带地区(分区VI)和华南湿润热带地区(分区VII)。首先考虑了气象干旱的非平稳特征,计算了多时间尺度非平稳标准化降水蒸散发指数(NSPEI),并基于历史灾情数据和典型干旱事件评价NSPEI的适用性,采用游程理论和小波分析探讨了季和年尺度上的干旱频次、强度和历时的空间分布及周期变化。基于相对阈值法定义热浪,构建了热浪属性评估体系,研究热浪各属性的时空分布格局,并进一步探讨了气候变暖对热浪的影响。基于干旱和热浪各自的属性,定义了干旱热浪复合事件,分析了不同气候分区干旱热浪复合事件频次、强度和持续时间特征的时空演变规律和变化趋势,量化了干旱热浪依赖性对干旱热浪复合事件的贡献,并进一步分析了干旱不同等级和不同时间尺度的干旱热浪强度依赖性(DH)的性质以检查DH结果的稳健性。最后诊断了单一极端气候事件热浪和干旱变化对干旱热浪复合事件增长的影响。论文得到的主要结果如下:(1)NSPEI和SPEI在不同时间尺度上的变化模式类似,总体上呈干湿交替,在峰值上略有差异。在对历史旱灾数据和典型干旱事件的表征上,NSPEI比SPEI的性能更好,更加符合实际旱情。基于NSPEI的结果表明,1961～2021年期间,全国各地都发生了一定程度的干旱,干旱频次随着干旱等级递增而明显降低,呈轻旱高频和重旱低频的特点。年尺度下,干湿交替特征更为明显。干旱的频次、总强度和总历时具有一致的空间分布模式,干旱在分区V北部、分区VI和分区VII频次更多、强度更强和历时更久。春季、夏季和秋季存在明显的周期特征,周期分别为14年、18年和10年左右,冬季并无明显的周期特征。年尺度上以22～29年时间尺度上的周期震荡最为明显,从1995年开始,周期为15年,预计未来数年内干旱将呈现增强的趋势。(2)热浪从5月开始发生持续至9月末基本结束,主要集中在7、8月份,空间演变上大体上呈由分区VII西部向分区II、IV和V延伸,再向分区I和分区VI发展的时空运移轨迹。热浪频次和强度高值区主要集中在分区I和VI,说明这两个分区受热浪影响较为严重,其它分区虽然强度较低,但其发生期间的温度升高趋势较快。热浪事件持续时间越短,占比越大,持续时间为3～4天和7天及以上的热浪事件占比分别呈现“中部低而南北高和“中部高而南北低的相反的空间分布特征,分区VI受持续时间在7天及以上的热浪事件影响较为突出。从变化趋势上看,1961～2021年各分区热浪事件发生频次逐渐增多,发生期间气温逐渐升高,持续时间逐渐延长。此外,在气候变暖的影响下,热浪频次、日数、有效积温和持续时间等属性均有所增强,表明更频繁、更严重和更持久的热浪与气候变暖紧密相关。(3)干旱热浪复合事件频次、有效积温和持续时间具有一致的空间分布模式,高值区均位于分区I、IV和VI,说明干旱热浪复合事件在分区I、IV和VI更多、更强、更持久。干旱和热浪两种极端气候的正依赖性对灾情具有累积放大作用,干旱热浪的正依赖性导致分区IV和VI的干旱热浪复合事件数量几乎增加了一半以上,分区I作为干旱热浪复合事件发生热点地区依赖性较低。在更严格的干旱定义下,干旱和热浪的强度依赖性更强,更长时间尺度干旱定义下的DH结果从侧面证明了分区IV可能更容易同时出现夏季极端高温和从春季延续到夏季的长期干旱。热浪和干旱热浪复合事件频次变化的空间分布模式和数据分布特征基本一致,在分区II、III和VII,热浪频次的增加是干旱热浪复合事件频次增加的重要驱动因素,而在分区V和VI部分地区干旱热浪复合事件频次的减少主要归因于干旱频次的减少。此外,98.93%的干旱热浪复合事件增加的站点伴有增加的热浪,而55.87%的干旱热浪复合事件增加的站点伴有增加的干旱,与干旱增加相比,热浪增加(热量过剩)对干旱热浪复合事件增长的贡献更大。本研究可以为我国不同地区早期建立和实施干旱热浪复合事件应对系统提供科学支撑,具有一定的现实意义。
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